西部某石化厂运营期地下水污染模拟研究
Simulation Study on Groundwater Pollution During Operation of a Petrochemical Plant in West China
兰斐，范阅
（青岛中油岩土工程有限公司，山东 青岛，266000）
摘要：文章以某石化厂为研究对象，基于现场水文地质条件，运用GMS建立了地下水流概念模型和数值模型以及溶质运移数值模型，模拟了持续性少量泄漏工况下，固定时间、不同距离情况下及固定距离、不同时间情况下石油类污染物的运移距离和污染晕的扩散情况，进而针对石油类对地下水可能造成的影响进行了评价。研究结果表明:在化工厂石油污染物持续泄漏的工况下，泄漏点下游距离最近的保护目标在预测时段内（20年）内很难受到影响，石油类污染物在泄漏时对地下水环境的影响较小。建议在石化厂下游按照规范要求做好地下水污染的长期监测工作，一旦发生地下水污染事故，应立即启动应急预案，将损失控制在最低限度。
Abstract: Taking a petrochemical plant as the research object, based on the on-site hydrogeological conditions, GMS is used to establish a conceptual model and numerical model of groundwater flow and a numerical model of solute transport. It simulates a small amount of continuous leakage at a fixed time and different distances. The migration distance of petroleum pollutants and the diffusion of pollution halo under different conditions, fixed distances and different time conditions, and then the possible impact of petroleum on groundwater was evaluated. The research results show that under the continuous leakage of petroleum pollutants from chemical plants, the protection target closest to the downstream of the leakage point is difficult to be affected within the predicted period (20 years), and the leakage of petroleum pollutants has little impact on the groundwater environment. . It is recommended that long-term monitoring of groundwater pollution should be done in the downstream of the petrochemical plant in accordance with the requirements of the specification. Once a groundwater pollution accident occurs, an emergency plan should be activated immediately to keep the loss to a minimum.
关键词：地下水模拟；溶质运移；地下水污染；石油化工；石油类污染物；地下水保护
Keywords: groundwater simulation; solute transport; groundwater pollution; petrochemical industry; petroleum pollutants; groundwater protection
近几十年，随着西部大开发的实施，西部地区石油化学工业也如雨后春笋一般迅猛发展，但石油化工行业具有高污染性，因此伴随而来的地下水污染问题也越发严重。由于石油化工行业具有高污染性，污染物一旦泄漏进入地下水中很难被发现，且一旦发生污染极难治理。对于地下水污染防治，掌握地下水污染物在含水层中的运移规律十分关键。因此，研究石油化工行业地下水污染物在地下水含水层中向下游迁移的规律具有十分重要的意义。
1.研究区概况
一个石油化工厂位于我国西部地区。项目所在区域地貌为倾斜平原。倾斜平原北部含水层岩性为卵石、卵石，层状单一，孔隙水。中层含水层为粉砂、细砂和中砂。粗砂、砾砂少见，多为薄层。砂层与粘性土层呈互层状产出。由于地层本身的压力和地表向南的缓坡，含水层埋藏越深，压力头越高。50-70m深度多段可得自流水。根据地下水的水力性质、埋藏条件和赋存条件，该区地下水分为碎屑岩类孔隙裂隙水和松散岩类孔隙水两类。松散岩类孔隙水可细分为砾石平原孔隙水和细土平原孔隙水。倾斜平原区地下水在接受砾石平原地表水的下渗和补给后，基本沿地势南移，由单一的潜水向上层潜水、下层承压水转变。顶托补水潜水最终以地面蒸发、植物蒸腾等隐蔽蒸发的形式排放到倾斜平原的前缘，将得到的地下水蒸发完毕，从而完成地下水的补给、径流、排泄全过程。区内地下水的排泄途径主要有：浅层地下水及地表水的蒸发排泄，地下水含水层的侧向径流排泄等。
根据搜集调查资料，项目区潜水水位受农业灌溉影响较大，水位高值出现在每年的4~6月份，低值出现在1~2月份，年内变幅为0.68~1.29m，区内潜水水位整体变化趋势是每年3~4月受农田灌溉影响，潜水水位迅速上升，9月停灌，潜水水位持续下降，元月前后地面结冻，蒸发减弱，水位平稳，至3、4月份农灌期水位复又上升。本区地下水在2005年前年际变化较为稳定，2005年后随着经济及农业不断发展，区域水位整体程下降趋势。
2.模型的建立与计算
2.1地下水概念模型
地下水概念模型是对调查区域水文地质条件的简化模型，目的是使模型中的水文地质条件尽可能简单明了，但对于地下水系统的主要功能和特征的刻画必须合理，准确。地下水概念模型是对复杂实际系统的一种近似处理，以满足数学模型的要求。它是地下水系统模拟的基础。地下水概念模型把研究对象（一般是调查评价区域）作为一个整体，以地质条件及水文条件为基础，集成个各种要素。其主体构型是由边界条件、内部控制方程和地下水流模型三大要素组成。通过对调查区地层岩性、含水层特征、地下水化学类型的调查分析，确定组成模型的各个要素。
本次模拟选择的模型是均质、各向同性、稳定流三维模型。
2.2模拟软件选择
本工作选用常用软件GMS（Groundwater Modeling System）建立研究区地下水流模型，进行水流模拟和溶质运移。
2.3调查区地下水渗流模型
（1）数学控制方程及求解
在对调查区水文地质概念模型分析的基础上，基于渗流连续性方程和达西定律，建立了与调查区地下水概念模型相匹配的的均质、各向同性、稳定流三维模型：
模拟区内的地下水运动可用以下数学模型描述：
式中：
表示地下水渗流区域；
为模型的第一类边界；
为模型的第二类边界；
分别表示
主方向的渗透系数（m/s）；
表示模型的流入和流出特征，即源汇项（m3/s）；
为第一类边界条件下的地下水水头函数（m）；
为第二类边界条件下的单位面积流量函数（m3/s）。
地下水污染模拟过程没有考虑污染物在含水层中的吸附、挥发和生化反应，为了保证模拟结果的可信性，模型中的各个参数都进行了保守考虑。
（2）模拟区范围
BH-10号集中式饮用水水源井，位于本石化厂YH304-2H储油罐下游1256m处，为本本次模拟中受潜在污染风险最大的保护目标，因此本模型基于该水源井考虑，在分析了解区域地形地貌特征、地层岩性、水文地质条件、地下水开发利用情况、污染源及保护目标分布位置的基础上，考虑到本项目处于一个较大的水文地质单元上，本项目周边无天然的水力边界，因此依据上下游关系确定本项目的调查模拟区范围如下：
依托于流场情况，YH304-2H储油罐以西2070m处955m高程等水位线为本模拟区的西部边界，长7653m；YH304-2H储油罐以东4680m处920m高程等水位线为本模拟区的东部边界，长3783m；模拟区的南北边界连接东西边界且垂直于流场方向，整个模拟区面积共73.77km2。
（3）地质模型及网格剖分
模拟区含水层结构较为简单，含水层为第四系洪冲积砂类土，在深度300m内为一套砂类土与粘性土交互堆积的无稳定隔水层的含水层组，因此模拟区域的含水层概化为单一潜水含水层。
模拟区边界为流量边界，包括入流量边界、流量出流边界，和隔水边界三类。
由于模拟区地下水流向为自西向东，因此本模拟区入流量边界为模型的西侧边界，流量出流边界为模型的东侧边界，南北两侧为隔水边界，三类边界均为非自然的人为边界，控制该边界流量因素有两个，一是地下水含水层的水力梯度，二是地下水含水层的导水能力。地下水含水层的导水能力是固定不变的的，由水力学中的达西定律，通过边界的单宽流量为：
式中： 
-边界单宽流量；
-边界在初始时单宽流量；
-边界处水力坡度变化值；T-边界处导水系数。
根据计算结果，本次模拟，入流量边界流量为3061.2m2/d，流量出流边界流量为1513.2m2/d。
模型中补给项中大气降水补给、灌溉垂直入渗补给由于面积很大，均可视为为面状补给，可近似假定灌溉用水入渗补给的量是均有的，即灌溉入渗补给可概化为为面源补给；由于模拟区地下水埋深较深，故本次模拟中暂时不考虑蒸发对地下水的影响。
根据有限差分法剖分原理，采用规则网格剖分方法，有效计算单元9532个。网格剖分图见图2。
图1 模拟区范围及网格剖分
根据抽水试验结果，本区地层渗透系数取0.8m/d，根据地层情况，给水度取经验值0.2，根据流场情况，模拟区水力坡度为0.005。
2.4模型识别与验证
模型识别和验证过程是整个仿真过程中极其重要的一步。一般情况下，需要对涉及到的水文地质参数在合理的范围内反复修改调整并试算，才能达到较为真实的拟合效果。该模型的识别和验证过程中采用的方法是试估-校正法，它是一种间接的参数反转方法。
通过运行GMS中计算程序，确定特定的水文地质参数和水均衡下水文地质概念模型中地下水位的时间及空间的分布，通过拟合给定边界条件、源汇项等识别水文地质参数和边界值等平衡项，使建立的地下水水流模型更符合调查区实际的水文地质条件，进而更精确的确定调查区地下水的流入和流出，从而精确的预测某特定条件下的地下水流场。
根据上述模型结构和各模型参数的初值，可以对模型进行反演计算。根据实际观测数据，对渗透系数、导水率、垂向补偿和排水强度等参数进行调整。
通过建立评价区模型结构，并对模型边界条件进行刻画、给定各参数的初始值、源汇项等得到的地下水流场图与初始流场对比图可见图2。
图2 模拟地下水流场与实际流场对比图（彩色等值线为模拟流场）
通过上述对比结果可见，所建立模型的模拟结果与初始流场对比，流场形态基本相似，水力梯度大致相等，基本能够反映地下水系统的水力特征，可利用此地下水模型进行地下水模拟预测。
2.5地下水环境影响预测
（1）地下水污染模拟情景
在正常运营的工况下，地下水不会受到污染，在事故状态下石化厂对地下水的环境影响主要是石油储罐在发生泄漏后，石油类污染物穿过包气带，进而对地下水的影响。设定事故情景为：连续性小量渗漏，污染物类型为石油类污染物，计算在地下水流作用下，石油类污染物的运移状况。
本次解析计算预测采用两种方案：
（一）固定时间、不同距离下的浓度预测。预测时间点分别为100d、180d、360d、1000d、3600d和7300d。
（二）固定距离、不同时间下的浓度预测。预测距离分别为50m、100m、200m。
正常运营条件下，对水源地水质无影响，但一旦发生泄漏后，石油类污染物将会进入地下水系统，对地下水造成污染，伴随着污染物的不断运移，污染范围和程度进一步增大。
由于石油类在水中的最大溶解度为15 mg/L，出于保守考虑，污染物浓度取15mg/L。
（2）模拟结果
固定时间、不同距离下的浓度预测
分别选取100d、180d、360d、1000d、3600d和7300d的污染物运移情况，其结果分别如图3~图8所示。
图3 100d石油类浓度预测结果
图4 180d石油类浓度预测结果
图5 360d石油类浓度预测结果
图6 1000d石油类浓度预测结果
图7 3600d石油类浓度预测结果
图8 7300d石油类浓度预测结果
根据预测结果，在渗漏发生100d时，距离储油罐110.16m内地下水中石油类污染物浓度超过生活饮用水卫生标准上限0.3mg/L；在渗漏发生180d时，距离储油罐118.47m内地下水中石油类污染物浓度超过生活饮用水卫生标准上限0.3mg/L；在360d时，距离储油罐125.71m内地下水中石油类污染物超过生活饮用水卫生标准上限0.3mg/L；在渗漏发生1000d时，距离储油罐164.01m内地下水中石油类污染物浓度超过生活饮用水卫生标准上限0.3mg/L；在渗漏发生3600d时，距离储油罐220.44m内地下水中石油类污染物浓度超过生活饮用水卫生标准上限0.3mg/L；在渗漏发生7300d时，距离储油罐299.25m处地下水中石油类污染物浓度超过生活饮用水卫生标准上限0.3mg/L。
（2）固定距离、不同时间下的石油类污染物浓度预测
分别选取距储油罐50m ，100m和200m处进行预测，分析其在渗漏发生后石油类污染物的浓度变化趋势。如图10~图12所示。
图9 距储油罐50m处石油类浓度变化趋势
图10 距储油罐100m处石油类浓度变化趋势
图11 距储油罐200m处石油类浓度变化趋势
根据预测结果显示，随着泄漏的发生，地下水中石油类污染物浓度逐渐上升，地下水污染程度逐渐增大。根据结果显示，在距储油罐50m处地下水中石油类浓度超过0.3mg/L的渗漏时间为第113天，在距储油罐100m处地下水中石油类浓度超过0.3mg/L的渗漏时间为第849天，在距储油罐200m处地下水中石油类浓度在7300天（20年）时的浓度仍然低于检出限。
4.结论与建议
由以上分析可以得出，在储油罐石油污染物持续泄漏的工况下，石油类污染物将会进入地下水系统，对地下水造成污染，伴随着污染物的不断运移，污染范围和程度进一步增大，但在预测整个过程中，储油罐下游距离最近的保护目标在预测时段内（20年）内很难受到影响，石油类污染物在泄漏时对地下水环境的影响较小。
根据以上结论，建议在储油罐下游按照国家及行业内相关规范及要求做好地下水污染的长期监测工作，及时准确掌握项目场地周边地下水环境质量及地下水体污染物动态变化情况，以便及时发现污染，同时，在储油罐及周边按照重点防渗区的防渗设置要求做好地面的基础防渗。建议在储油罐周边及上游，设立应急抽水井，并设置24小时不间断电源，做好应急预案，一旦发生地下水污染事故，应立即启动应急预案，并根据现场情况进行研判，及时进行抢修，做好安全防范和生态环境修复工作，将损失控制在最低限度。
参考文献
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